高校學(xué)生宿舍防火報(bào)警系統(tǒng)建設(shè)

（南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210048）

1.系統(tǒng)方案

1.1 系統(tǒng)總體方案

本系統(tǒng)主要由電源模塊，控制器模塊，鍵盤(pán)模塊，外部存儲(chǔ)模塊,無(wú)線傳輸模塊，聲光報(bào)警模塊，顯示模塊，人體檢測(cè)模塊，煙霧檢測(cè)模塊，貴重物品檢測(cè)模塊等構(gòu)成。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1.2 主要模塊方案論證與比較

1.2.1 控制器模塊

方案一：采用ATMEL公司的AT89C51作為控制核心。51單片機(jī)價(jià)格便宜，應(yīng)用廣泛，但運(yùn)算速度較低，內(nèi)部資源較少，功能單一，且自身功耗相對(duì)較高，難以滿足系統(tǒng)要求。

方案二：采用16 位低功耗單片機(jī)MSP430 作為控制核心。它具有豐富的I/O 口與外部中斷，運(yùn)算速度快，為16 位機(jī)，而且功耗很低。

因?yàn)镸SP430的功耗比51的低且其I/O 口多，運(yùn)算速度快，所以我們選擇方案二。

1.2.2 電源模塊

方案一：采用開(kāi)關(guān)直流穩(wěn)壓電源。開(kāi)關(guān)電源功率大，效率高，但是紋波大，價(jià)格相對(duì)較高。

方案二：采用線性直流穩(wěn)壓電源。線性穩(wěn)壓電源制作簡(jiǎn)單，輸出穩(wěn)定，性價(jià)比較高。

因?yàn)榫€性直流穩(wěn)壓電源比開(kāi)關(guān)電源成本低，輸出穩(wěn)定，所以我們選擇方案二。

1.2.3 鍵盤(pán)模塊

方案一：采用獨(dú)立式按鍵。此類鍵盤(pán)采用獨(dú)立鍵盤(pán)掃描方式，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，編程相對(duì)容易，但對(duì)單片機(jī)資源占用較多，不利于系統(tǒng)整體功能的實(shí)現(xiàn)。

方案二：采用4*4矩陣式鍵盤(pán)輸入。矩陣鍵盤(pán)為行列掃描方式，在按鍵較多時(shí)可以大大節(jié)省I/O接口，控制方便，有利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能要求。

因?yàn)?*4矩陣式鍵盤(pán)比獨(dú)立式按鍵節(jié)省單片機(jī)I/O接口，所以我們選擇了方案二。

1.2.4 顯示模塊

方案一：采用LED數(shù)碼管顯示。數(shù)碼管顯示具有亮度高，顏色鮮艷，易于觀察，可實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示，采用CH451 驅(qū)動(dòng)可以大量減少占用的I/O口。但缺點(diǎn)是只能顯示有限的數(shù)字和符號(hào)，即顯示信息量小，顯示內(nèi)容單一。

方案二：采用128X64點(diǎn)陣LCD液晶顯示。LCD液晶可輕松實(shí)現(xiàn)字母、漢字、圖像等的顯示，控制簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)人性化、動(dòng)態(tài)化的顯示，使顯示內(nèi)容更加豐富，人機(jī)交互更加容易。

鑒于LCD強(qiáng)大的顯示功能，我們選擇了方案二。

1.2.5 外部存儲(chǔ)模塊

采用可電擦除可編程只讀存儲(chǔ)器AT24C02。AT24C02接線簡(jiǎn)單，修改數(shù)據(jù)靈活，且斷電后數(shù)據(jù)不會(huì)丟失，故得到了廣泛的應(yīng)用。

1.2.6 無(wú)線傳輸模塊

方案一:采用PT2262/2272 編解碼芯片。PT2262/2272 傳輸距離近，信號(hào)傳輸速度慢，數(shù)據(jù)編碼方式單一。

方案二：采用nRF905 無(wú)線收發(fā)器。nRF905 無(wú)線收發(fā)芯片具有功耗低、控制簡(jiǎn)單、可自動(dòng)處理字頭和CRC校驗(yàn)等優(yōu)點(diǎn)，其片內(nèi)硬件可自動(dòng)完成曼徹斯特編碼/解碼，使用SPI 接口與微控制器通信，配置非常方便。

因?yàn)閚RF905 無(wú)線收發(fā)器傳輸速度快，傳輸距離遠(yuǎn)，所以我們選用方案二。

1.2.7 貴重物品檢測(cè)模塊

方案一：采用聲磁防盜系統(tǒng)。聲磁系統(tǒng)的特性是防盜檢測(cè)率高、幾乎零誤報(bào)、不受金屬錫箔紙屏蔽、抗干擾性好、保護(hù)的出口寬(單套系統(tǒng)最寬可保護(hù)4米)。且只需在貴重物品上貼張標(biāo)簽即可，簡(jiǎn)單方便可行。

方案二：GPS追蹤器。把主機(jī)設(shè)備放在宿舍里，把從機(jī)固定在貴重物品上，當(dāng)主從距離超過(guò)一定距離時(shí), 主從設(shè)備均會(huì)報(bào)警，且主機(jī)會(huì)把這一信息立即發(fā)送到手機(jī)卡里。雖然功能夠?qū)崿F(xiàn)，但成本太高。

方案二成本高，對(duì)比來(lái)說(shuō)，方案一優(yōu)于方案二，所以我們選擇方案一。

1.2.8 聲光報(bào)警模塊

為區(qū)分人體與煙霧檢測(cè)和提示鎖門(mén)兩項(xiàng)報(bào)警功能，本設(shè)計(jì)分為兩種報(bào)警方式。當(dāng)檢測(cè)到人和煙霧時(shí)采用蜂鳴器和LED進(jìn)行聲光報(bào)警，當(dāng)檢測(cè)到宿舍無(wú)人時(shí)采用語(yǔ)音報(bào)警。

1.2.9 煙霧檢測(cè)模塊

方案一：采用離子式煙霧傳感器HIS-07。該離子式煙霧傳感器需要用1014NM 以上阻抗的儀表或IC 集成電路（Mc14467/14468/145018）檢測(cè)輸出電壓，普通的儀表會(huì)造成檢測(cè)結(jié)果的不準(zhǔn)確，這樣使得成本增高。

方案二：采用自制煙霧傳感器。用兩對(duì)紅外對(duì)管，一個(gè)運(yùn)算放大器和幾個(gè)電阻即可，電路簡(jiǎn)單，成本低。

雖然方案一與方案二都能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求，但方案一成本高，所以我們選用方案二。

1.2.10 人體檢測(cè)模塊

方案一： 采用集成運(yùn)算放大器處理熱釋電的輸出信號(hào)。電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，但檢測(cè)距離達(dá)不到5米。

方案二：采用熱釋電專用處理芯片BISS0001 處理輸出信號(hào)。它的檢測(cè)距離能達(dá)到5米以上，且工作穩(wěn)定。

由于題目要求檢測(cè)距離需達(dá)到5米以上，而方案二滿足要求，所以我們選擇方案二。

2.程序設(shè)計(jì)

通過(guò)人體檢測(cè)模塊和煙霧檢測(cè)模塊產(chǎn)生的上升沿電平來(lái)觸發(fā)單片機(jī)的外部中斷，從而達(dá)到感應(yīng)人體和檢測(cè)煙霧的功能。通過(guò)矩陣鍵盤(pán)掃描實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入。宿舍與宿舍之間采用異步通信模式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，宿舍和監(jiān)控中心采用無(wú)線通信模式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。其他模塊均采用單片機(jī)普通的輸入和輸出功能。

3.系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果分析

3.1 測(cè)試儀器

測(cè)試儀器包括數(shù)字萬(wàn)用表、MSP430開(kāi)發(fā)板、秒表、直流穩(wěn)壓電源、雙通道數(shù)字示波器等。

3.2 測(cè)試項(xiàng)目

測(cè)試項(xiàng)目主要包括以下內(nèi)容：熱釋電紅外傳感器觸發(fā)時(shí)間（靈敏度）測(cè)試、熱釋電紅外傳感器檢測(cè)范圍測(cè)試、煙霧傳感器靈敏度測(cè)試。

3.3 測(cè)試數(shù)據(jù)及測(cè)試結(jié)果分析

3.3.1 熱釋電紅外傳感器觸發(fā)時(shí)間（靈敏度）測(cè)試

通過(guò)調(diào)節(jié)BISS0001的RR2 和RC2的值來(lái)確定最佳靈敏度。測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 熱釋電傳感器靈敏度測(cè)試數(shù)據(jù)

經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試最終選定RR2和RC2乘積為500時(shí)為最佳選擇，所以我們選用RR2=5.1KΩ，RC2=0.1μF。

3.3.2 熱釋電紅外傳感器檢測(cè)范圍測(cè)試

熱釋電紅外傳感器檢測(cè)范圍主要是在傳感器加菲涅爾透鏡的基礎(chǔ)上進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)調(diào)節(jié)BISS0001第12管腳負(fù)反饋電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)。測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 熱釋電檢測(cè)范圍測(cè)試數(shù)據(jù)

由題目要求檢測(cè)距離在5m以上因此選擇10KΩ可調(diào)電阻。

3.3.3 煙霧傳感器靈敏度測(cè)試

煙霧傳感器靈敏度測(cè)試主要是先確定在煙霧濃度為1000ppm的前提下，通過(guò)調(diào)節(jié)紅外發(fā)射管的限流電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)。測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示。

根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)，最終確定限流電阻在4.7KΩ左右為最佳。

表3 煙霧傳感器靈敏度測(cè)試數(shù)據(jù)

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